一种具有高效除尘功能的材料及其生产工艺论文和设计

全文摘要

本发明公开了一种具有高效除尘功能的材料及其生产工艺，属于环保材料技术领域。本发明先用氯化钠，羟甲基纤维素，羧甲基纤维素钠和水混合制得水相，再用由苯乙烯，二乙烯苯，偶氮二异丁腈和混合致孔剂混合制得有机相，将水相与有机相混合，并加入硫磺分散液和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，搅拌反应制得改性聚苯乙烯微球，将改性聚苯乙烯微球与多孔二氧化硅与氧化石墨烯的混合分散液混合，旋蒸浓缩后，洗涤，干燥，得具有高效除尘功能的材料。本发明制备的具有高效除尘功能的材料具有优异的除尘效果。

主设计要求

1.一种具有高效除尘功能的材料，其特征在于，所述具有高效除尘功能的材料主要包括以下重量份数的原料组分：40～60份改性聚苯乙烯微球，5～8份氧化石墨烯和10～12份多孔二氧化硅；所述具有高效除尘功能的材料的具体制备步骤为：(1)将氯化钠与羟甲基纤维素按质量比1：1～2：1混合，并加入氯化钠质量0.1～0.3倍的羧甲基纤维素钠和氯化钠质量8～10倍的水，于温度为40～60℃，转速为280～360r\/min的条件下，搅拌混合后40～60min；(2)按重量份数计，依次称取：20～30份苯乙烯，8～12份二乙烯苯，3～5份偶氮二异丁腈和40～60份混合制孔剂，将苯乙烯与二乙烯苯混合，并加入偶氮二异丁腈和混合制孔剂，于温度为45～65℃，转速为300～360r\/min的条件下搅拌混合30～80min；(3)将步骤(1)所得物质与步骤(2)所得物质按体积比3：1混合，于频率为45～55kHz的条件下超声分散10～20min，得混合分散液，将混合分散液与硫磺分散液按质量比4：1～6：1混合，并加入混合分散液质量0.1～0.3倍的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，于温度为70～80℃，转速为300～350r\/min的条件下，搅拌反应8～9h后，过滤，得预处理聚苯乙烯微球，将预处理聚苯乙烯微球经索氏提取后，抽滤，洗涤，干燥；(4)将多孔二氧化硅10～12份与氧化石墨烯5～8份混合，并加入水200～220份混合，于频率为45～60kHz的条件下，超声分散20～40min后，得混合分散液，将混合分散液与步骤(3)所得物质40～60份混合，于频率为45～55kHz的条件下超声分散50～100min后，并于温度为60～80℃，转速为120～150r\/min，压力为500～600kPa的条件下旋蒸浓缩至含水率为0.1～0.2％，将浓缩物洗涤，干燥；(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析，步骤(3)所述硫磺分散液为将聚乙烯吡咯烷酮与水按质量比1：150～1：200混合，并加入聚乙烯吡咯烷酮2～3倍的硫代硫酸钠，搅拌混合后，得硫代硫酸钠混合分散液，将硫代硫酸钠与盐酸按体积比40：1～60：1混合，搅拌反应后，超声分散，得硫磺分散液。

设计方案

1.一种具有高效除尘功能的材料，其特征在于，所述具有高效除尘功能的材料主要包括以下重量份数的原料组分：40～60份改性聚苯乙烯微球，5～8份氧化石墨烯和10～12份多孔二氧化硅；所述具有高效除尘功能的材料的具体制备步骤为：

(1)将氯化钠与羟甲基纤维素按质量比1：1～2：1混合，并加入氯化钠质量0.1～0.3倍的羧甲基纤维素钠和氯化钠质量8～10倍的水，于温度为40～60℃，转速为280～360r\/min的条件下，搅拌混合后40～60min；

(2)按重量份数计，依次称取：20～30份苯乙烯，8～12份二乙烯苯，3～5份偶氮二异丁腈和40～60份混合制孔剂，将苯乙烯与二乙烯苯混合，并加入偶氮二异丁腈和混合制孔剂，于温度为45～65℃，转速为300～360r\/min的条件下搅拌混合30～80min；

(3)将步骤(1)所得物质与步骤(2)所得物质按体积比3：1混合，于频率为45～55kHz的条件下超声分散10～20min，得混合分散液，将混合分散液与硫磺分散液按质量比4：1～6：1混合，并加入混合分散液质量0.1～0.3倍的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，于温度为70～80℃，转速为300～350r\/min的条件下，搅拌反应8～9h后，过滤，得预处理聚苯乙烯微球，将预处理聚苯乙烯微球经索氏提取后，抽滤，洗涤，干燥；

(4)将多孔二氧化硅10～12份与氧化石墨烯5～8份混合，并加入水200～220份混合，于频率为45～60kHz的条件下，超声分散20～40min后，得混合分散液，将混合分散液与步骤(3)所得物质40～60份混合，于频率为45～55kHz的条件下超声分散50～100min后，并于温度为60～80℃，转速为120～150r\/min，压力为500～600kPa的条件下旋蒸浓缩至含水率为0.1～0.2％，将浓缩物洗涤，干燥；

(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析，

步骤(3)所述硫磺分散液为将聚乙烯吡咯烷酮与水按质量比1：150～1：200混合，并加入聚乙烯吡咯烷酮2～3倍的硫代硫酸钠，搅拌混合后，得硫代硫酸钠混合分散液，将硫代硫酸钠与盐酸按体积比40：1～60：1混合，搅拌反应后，超声分散，得硫磺分散液。

2.根据权利要求1所述的一种具有高效除尘功能的材料，其特征在于，步骤(2)所述混合致孔剂为将甲苯与环己醇按质量比1：2～1：4混合，并加入甲苯质量2～3倍的正庚烷，搅拌混合后，得混合制孔剂。

3.根据权利要求1所述的一种具有高效除尘功能的材料，其特征在于，步骤(4)所述多孔二氧化硅为将聚丙烯酰胺凝胶与水按质量比1：50～1：85混合，搅拌溶解后，冷冻干燥，得聚丙烯酰胺多孔凝胶，将聚丙烯酰胺多孔凝胶与正硅酸乙酯按质量比1：9混合，并加入聚丙烯酰胺质量60～70倍的无水乙醇，聚丙烯酰胺质量3～4倍的水和聚丙烯酰胺质量1～8倍的氨水，搅拌混合后，过滤，静置反应，煅烧，得多孔二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的一种具有高效除尘功能的材料，其特征在于，所述具有高效除尘功能的材料包括以下重量份数的组分：50份改性聚苯乙烯微球，6份氧化石墨烯，10份多孔二氧化硅。

设计说明书

技术领域

本发明涉及环保材料技术领域，具体是一种具有高效除尘功能的材料及其生产工艺。

背景技术

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。因粒径小，富含大量的有毒、有害物质，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。随着时代的进步，对环境的要求越来越高。

工业粉尘为PM2.5的主要来源，目前，工业粉尘的分类依据各有不同，可以按物质的组成、粒径的大小、形状及物理化学特性等进行分类。按照粉尘产生行业的不同将工业粉尘分为水泥行业粉尘、燃煤发电行业粉尘、钢铁行业粉尘、木材行业粉尘、有色金属行业粉尘及其他粉尘等类型。

现今，应用比较广泛的除尘技术有五大类:机械式除尘技术、电除尘技术、过滤除尘技术、湿式除尘技术和新型复合式除尘技术，其中机械式除尘技术又可分为沉降除尘，惯性除尘和旋风除尘，新型复合式除尘技术包括电袋复合除尘和电旋风复合除尘。现有除尘技术虽然多样化，但每种技术都有不可忽视的缺点，机械式除尘技术除尘效率太低，电除尘技术中由于粉尘比电阻随温度变化大，需要控制温度，不同微粒对应不同的最佳电场参数，需要多次调试，随着对烟气排放标准的修改，电除尘后的烟气有时达不到要求；过滤式除尘虽然除尘效率较高，但是处理温度受滤袋材料的限制，不耐高温，耐腐蚀性弱，不能处理酸碱性含尘气体，对含有粘附性强或吸湿性强粉尘的气体不适用；处理气量大时结构耗材多占地大，运行阻力大，运行成本较高；湿式除尘技术产生的泥浆沉渣和废水需要处理，粉尘回收困难，处理腐蚀性气体时需要采取防腐措施，低温地区需要防冻，易产生二次污染；而新型复合式除尘技术投较大，且设备维护费用较高。

因此，研究和开发具有除尘功能且在吸附粉尘后易于去除，并且制备成本较低的材料具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高效除尘功能的材料及其生产工艺，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有高效除尘功能的材料，其特征在于，所述具有高效除尘功能的材料主要包括以下重量份数的原料组分：40～60份改性聚苯乙烯微球，5～8份氧化石墨烯和10～12份多孔二氧化硅，聚苯乙烯微球在经过改性后，聚苯乙烯微球为多孔结构，且质量较小，可分散于空气中，从而增大产品与粉尘接触的几率，提高产品的除尘效果；多孔二氧化硅的加入可嵌合于改性聚苯乙烯的多孔结构中，从而可在改性聚苯乙烯微球在吸附氧化石墨烯时保留聚苯乙烯微球表面的孔隙，从而利于后期洗涤过程中去除部分内部的聚苯乙烯，并且利于产品在使用时对粉尘和水分的吸附，进而提高产品的除尘效果；作为优化，改性聚苯乙烯微球是由有机相混合物与水相混合物混合，并加入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和硫磺分散液，搅拌反应后，经索氏提取，抽滤，干燥，制得，所述有机相混合物由苯乙烯，二乙烯苯，偶氮二异丁腈和混合致孔剂混合制得，所述水相混合物由氯化钠，羟甲基纤维素，羧甲基纤维素钠和水混合制得，加入的羧甲基纤维素钠具有吸湿性，可提高产品的吸湿性能，进而使产品的在吸湿的同时吸附粉尘，提高产品的除尘效果。

作为优化，所述具有高效除尘功能的材料的具体制备步骤为：

(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析。

作为优化，步骤(2)所述混合致孔剂为将甲苯与环己醇按质量比1：2～1：4混合，并加入甲苯质量2～3倍的正庚烷，搅拌混合后，得混合制孔剂。

作为优化，步骤(4)所述多孔二氧化硅为将聚丙烯酰胺凝胶与水按质量比1：50～1：85混合，搅拌溶解后，冷冻干燥，得聚丙烯酰胺多孔凝胶，将聚丙烯酰胺多孔凝胶与正硅酸乙酯按质量比1：9混合，并加入聚丙烯酰胺质量60～70倍的无水乙醇，聚丙烯酰胺质量3～4倍的水和聚丙烯酰胺质量1～8倍的氨水，搅拌混合后，过滤，静置反应，煅烧，得多孔二氧化硅。

作为优化，具有高效除尘功能的材料包括以下重量份数的组分：50份改性聚苯乙烯微球，6份氧化石墨烯，10份多孔二氧化硅。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在制备具有高效除尘功能的材料时使用聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，且在后续制备过程中加入氧化石墨烯，首先，

聚苯乙烯-二乙烯基苯微球具有多孔结构，在产品使用过程中可作为粉尘的吸附场所，从而使产品的除尘性能提高，并且由于聚苯乙烯-二乙烯基苯微球对酸碱具有较好的抗腐蚀性，因此，可提高产品的应用范围；其次，在后续产品制备过程中聚苯乙烯-二乙烯基苯微球可在甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的作用下在微球表面及孔隙内部形成一定的正电荷，当与加入的氧化石墨烯混合后，可在静电力的作用下吸附于聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的表面及孔隙内部，从而可防止聚苯乙烯-二乙烯基苯微球在浸入有机溶剂时的过度溶解，使聚苯乙烯-二乙烯基苯微球内部被溶解，外侧仍具有较好的强度，提高聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的孔隙率，使产品的除尘性能进一步提高，并且，在被有机溶剂溶解后，聚苯乙烯-二乙烯基苯微球质量下降，在使用过程中可更加容易分散于空气中，提高产品的除尘效率；

(2)本发明在制备具有高效除尘功能的材料时在聚苯乙烯-二乙烯基苯微球同时加入硫磺分散液和多孔二氧化硅，一方面，硫磺分散液在聚苯乙烯-二乙烯基苯微球制备过程中加入，可使硫磺被固定于聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的孔隙内部，并且，在后续聚苯乙烯-二乙烯基苯微球浸入有机溶剂中后，硫磺周围的聚苯乙烯-二乙烯基苯被消耗，从而可在聚苯乙烯-二乙烯基苯微球内部自由移动，在产品使用过程中，由于硫磺在自由移动过程中会产生静电，静电可经甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵使聚苯乙烯-二乙烯基苯微球表面吸附的氧化石墨烯带电，从而在静电力的作用下吸附空气中的粉尘，提高产品的除尘效果，并且，由于硫磺具有较好的吸湿性能，在产品使用过程中可吸附空气中的水分，进而进一步吸附粉尘，使产品的除尘效果进一步提高，另一方面，加入的多孔二氧化硅可在产品制备过程中吸附并嵌合于聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的空隙内部，在聚苯乙烯-二乙烯基苯微球吸附氧化石墨烯时可防止氧化石墨烯堵塞聚苯乙烯-二乙烯基苯微球表面的空隙，阻止有机溶剂进入聚苯乙烯-二乙烯基苯微球内部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的具有除尘功能材料的各指标的测试方法如下：

除尘性：将各实例所得具有高效除尘功能的材料与对比例产品以2g\/m^{3<\/sup>的使用量处理相同浓度和相同环境下的粉尘气体，测量处理5h后产品的增重率，增重越大，除尘效果越好；}

长效性：将经除尘性测试后的产品继续置于相同浓度和相同环境下的粉尘气体中，测量10h后的产品的增重率，增重越大，除尘效果和持效性越好。

实例1：

一种具有高效除尘功能的材料，按重量份数计，主要包括：50份改性聚苯乙烯微球，6份氧化石墨烯，10份多孔二氧化硅。

一种具有高效除尘功能的材料的生产工艺，所述具有高效除尘功能的材料的生产工艺包括以下步骤：

(1)将氯化钠与羟甲基纤维素按质量比2：1混合于烧杯中，并想烧杯中加入氯化钠质量0.3倍的羧甲基纤维素钠和氯化钠质量10倍的水，于温度为50℃，转速为320r\/min的条件下，搅拌混合后60min；

(2)按重量份数计，依次称取：30份苯乙烯，12份二乙烯苯，5份偶氮二异丁腈和60份混合制孔剂，将苯乙烯与二乙烯苯混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入偶氮二异丁腈和混合制孔剂，于温度为60℃，转速为320r\/min的条件下搅拌混合60min；

(3)将步骤(1)所得物质与步骤(2)所得物质按体积比3：1混合，于频率为50kHz的条件下超声分散20min，得混合分散液，将混合分散液与硫磺分散液按质量比4：1混合于反应釜中，并向反应釜中加入混合分散液质量0.2倍的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，于温度为80℃，转速为320r\/min的条件下，搅拌反应9h后，过滤，得预处理聚苯乙烯微球，将预处理聚苯乙烯微球用二氯甲烷于索氏提取器中抽提10h后，抽滤，得聚苯乙烯微球坯料，将聚苯乙烯微球坯料分别用乙醇和蒸馏水各洗涤8次，并于80℃的条件下干燥2h；

(4)将多孔二氧化硅10份与氧化石墨烯6份混合，并加入水220份混合，于频率为50kHz的条件下，超声分散30min后，得混合分散液，将混合分散液与步骤(3)所得物质50份混合，于频率为55kHz的条件下超声分散60min后，并于温度为70℃，转速为150r\/min，压力为600kPa的条件下旋蒸浓缩至含水率为0.1％，将浓缩物分别用无水乙醇和水各洗涤6次，再于温度为80的条件下干燥3h；

(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析。

作为优化，步骤(3)所述硫磺分散液为将聚乙烯吡咯烷酮与水按质量比1：200混合，并加入聚乙烯吡咯烷酮3倍的硫代硫酸钠，搅拌混合后，得硫代硫酸钠混合分散液，将硫代硫酸钠与质量分数为28％的盐酸按体积比40：1混合，搅拌反应后，超声分散，得硫磺分散液。

作为优化，步骤(4)所述多孔二氧化硅为将聚丙烯酰胺凝胶与水按质量比1：85混合，搅拌溶解后，冷冻干燥，得聚丙烯酰胺多孔凝胶，将聚丙烯酰胺多孔凝胶与正硅酸乙酯按质量比1：9混合，并加入聚丙烯酰胺质量70倍的无水乙醇，聚丙烯酰胺质量4倍的水和聚丙烯酰胺质量5倍的氨水，搅拌混合后，过滤，静置反应，得多孔二氧化硅坯料，将多孔二氧化硅坯料于温度为550ss℃的条件下煅烧3h后，得多孔二氧化硅。

实例2：

一种具有高效除尘功能的材料，按重量份数计，主要包括：50份改性聚苯乙烯微球，6份氧化石墨烯，10份多孔二氧化硅。

一种具有高效除尘功能的材料的生产工艺，所述具有高效除尘功能的材料的生产工艺包括以下步骤：

(3)将步骤(1)所得物质与步骤(2)所得物质按体积比3：1混合，于频率为50kHz的条件下超声分散20min，得混合分散液，将混合分散液与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵按质量比5：1混合于反应釜中，于温度为80℃，转速为320r\/min的条件下，搅拌反应9h后，过滤，得预处理聚苯乙烯微球，将预处理聚苯乙烯微球用二氯甲烷于索氏提取器中抽提10h后，抽滤，得聚苯乙烯微球坯料，将聚苯乙烯微球坯料分别用乙醇和蒸馏水各洗涤8次，并于80℃的条件下干燥2h；

(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析。

实例3：

一种具有高效除尘功能的材料，按重量份数计，主要包括：50份改性聚苯乙烯微球，10份多孔二氧化硅。

一种具有高效除尘功能的材料的生产工艺，所述具有高效除尘功能的材料的生产工艺包括以下步骤：

(4)将多孔二氧化硅10份与水220份混合，于频率为50kHz的条件下，超声分散30min后，得混合分散液，将混合分散液与步骤(3)所得物质50份混合，于频率为55kHz的条件下超声分散60min后，并于温度为70℃，转速为150r\/min，压力为600kPa的条件下旋蒸浓缩至含水率为0.1％，将浓缩物分别用无水乙醇和水各洗涤6次，再于温度为80的条件下干燥3h；

(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析。

实例4：

一种具有高效除尘功能的材料，按重量份数计，主要包括：50份改性聚苯乙烯微球，6份氧化石墨烯。

一种具有高效除尘功能的材料的生产工艺，所述具有高效除尘功能的材料的生产工艺包括以下步骤：

(4)将水220份与氧化石墨烯6份混合，于频率为50kHz的条件下，超声分散30min后，得混合分散液，将混合分散液与步骤(3)所得物质50份混合，于频率为55kHz的条件下超声分散60min后，并于温度为70℃，转速为150r\/min，压力为600kPa的条件下旋蒸浓缩至含水率为0.1％，将浓缩物分别用无水乙醇和水各洗涤6次，再于温度为80的条件下干燥3h；

(5)对步骤(4)所得产品进行指标分析。

对比例：

一种具有高效除尘功能的材料，按重量份数计，主要包括：50份改性聚苯乙烯微球。

一种具有高效除尘功能的材料的生产工艺，所述具有高效除尘功能的材料的生产工艺包括以下步骤：

(4)对步骤(3)所得产品进行指标分析。

效果例1：

下表1给出了采用本发明实施例1至4与对比例的具有高效除尘功能的材料及其生产工艺的指标分析结果。

表1

从表1中可以看出：本发明所制备的具有高效除尘功能的材料与对比例产品相比而言具有优异的除尘性能，且在使用较长时间下仍具有一定的除尘能力。从实例4与对比例比较所得，在产品中加入氧化石墨烯和硫磺，可使产品在使用过程中形成静电，并通过氧化石墨烯分布于产品表面，有效提高产品的除尘性能，但从实例4与实例1比较，可发现在不加入多孔二氧化硅时严重影响了产品的除尘效果，原因在于多孔二氧化硅的存在可保证产品的多孔性，可使产品内部在硫磺和羧甲基纤维素钠的吸湿作用下进一步吸附粉尘，提高产品的除尘性能，当多孔二氧化硅不加入时，产品表面被氧化石墨烯覆盖，只有表层可吸附粉尘；对比实例3和对比例，可发现在产品中加入硫磺和多孔二氧化硅可有效提高产品的除尘性能，但是从实例3和实例1的数据可发当产品中不含氧化石墨烯时，硫磺产生的静电无法均匀分布于产品中，使产品的除尘性能降低，对比实例2和实例1可发现在产品中加入硫磺可使产品具有优异的除尘性能，综上，本发明制备的产品具有十分优异的除尘效果，具有较好的市场前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

设计图

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